Sviluppo di modelli previsionali per sistemi fotovoltaici : analisi teorica e validazione sperimentale

In the present thesis work models for the prediction of power produced by a module (or a field) photovoltaic, assigned the environmental conditions in which it operates, are described and experimentally validated. The objective is to estimate the power produced by photovoltaic modules during a typical day of operation. This prediction can be used both for design a photovoltaic system, and for better manage an electrical network with a significant proportion of power generated by renewable random sources. In particular, analytical models have been developed with different grade of complexity, and two different technologies of photovoltaic panels have been compared: monocrystalline and polycrystalline modules. A first analytical model provides for the exclusive use of the information available from the datasheet of the module. The second method is based on the reconstruction of the characteristic curves I - V of the modules in question, either by experimental measurements carried out directly on the panel or assigned by the manufacturer. The method determines the parameters of the equivalent circuit of the PV module by performing a least squares regression (fitting) on the curves themselves. A third method that is proposed provides to perform experimental measurements directly on the modules using a voltage generator in order to obtaining the parameters of the equivalent circuit. Although all three methods have been tested, only the first one gave acceptable results on the estimation of power produced within a day, with an error of less than 5% on the same. As far as the second method, the power calculated turns out to be underestimated by approximately 15 W during peak hours; such inaccuracy, however, is not linked to the model used, but is due to the I-V characteristics measured experimentally to which the model has been applied. The third method has collided with the use of an instrumentation not adequate compared to the investigations to be developed since the achievement of full scale of the voltage generator didn’t permit an accurate estimate of the resistance in series of the modules. To determine the temperature of the photovoltaic cells inside the modules a thermal model based on NOCT (Normal Operating Cell Temperature), and Sandia Thermal Model have been used. The latter is more accurate for the monocrystalline, while the first for the polycrystalline.

Nel presente lavoro di tesi si descrivono e si validano sperimentalmente dei modelli per la previsione della potenza prodotta da un modulo (o da un campo) fotovoltaico assegnate le condizioni ambientali in cui lo stesso opera. L’obiettivo è stimare la potenza prodotta da moduli fotovoltaici durante una giornata tipo di funzionamento. Una stima previsionale di questo tipo può essere utilizzata sia nella fase progettuale di un impianto fotovoltaico, sia per gestire al meglio una rete elettrica con una quota rilevante di potenza generata da fonti aleatorie. In particolare sono stati sviluppati diversi modelli analitici più o meno complessi, e si sono confrontate due tecnologie differenti di pannelli fotovoltaici: moduli monocristallini e policristallini. Un primo modello analitico prevede l’utilizzo esclusivo delle informazioni reperibili dal datasheet del modulo in questione. Il secondo metodo si basa sulla ricostruzione delle curve caratteristiche I – V dei moduli in esame, sia mediante misure sperimentali direttamente effettuate sul pannello sia assegnate dal costruttore. Il metodo determina i parametri del circuito equivalente del modulo fotovoltaico effettuando una regressione ai minimi quadrati (fitting) sulle curve stesse. Un terzo metodo che si propone prevede di effettuare prove di misure sperimentali direttamente sui moduli mediante un generatore di tensione per ricavarne i parametri del circuito equivalente. Sebbene si siano sperimentati tutti e tre i metodi, solo il primo ha dato risultati accettabili sulla stima della potenza prodotta nell’arco di una giornata, con un errore sulla stessa inferiore al 5%. Per quanto riguarda il secondo metodo la potenza calcolata risulta essere sottostimata di circa 15 W nelle ore di punta; tale imprecisione tuttavia non è legata al modello utilizzato, ma è dovuta alle caratteristiche I –V misurate sperimentalmente alle quali il modello è stato applicato. Il terzo metodo si è scontrato con l’utilizzo di una strumentazione non adeguata rispetto alle indagini da sviluppare in quanto il raggiungimento del fondo scala del generatore di tensione non ha permesso una stima accurata della resistenza in serie dei moduli. Per determinare la temperatura delle celle fotovoltaiche all’interno dei moduli si sono utilizzati il modello termico che si basa sulla NOCT (Normal Operating Cell Temperature), e il Sandia Thermal Model. Quest’ultimo è risultato più accurato per i moduli monocristallini, mentre il primo per i policristallini.